Da quando il web è diventato una piattaforma non solo per i documenti, ma anche per le app, alcune delle app più avanzate hanno spinto i browser web al limite. L'approccio di "avvicinarsi all'hardware" interfacciandosi con linguaggi di livello inferiore per migliorare le prestazioni si riscontra in molti linguaggi di livello superiore. Ad esempio, Java ha la Java Native Interface. Per JavaScript, questo linguaggio di livello inferiore è WebAssembly. In questo articolo scoprirai cos'è il linguaggio assembly, perché può essere utile sul web e come è stato creato WebAssembly tramite la soluzione provvisoria di asm.js.
Linguaggio assembly
Hai mai programmato in linguaggio assembly? Nella programmazione informatica, il linguaggio assembly, spesso chiamato semplicemente Assembly e comunemente abbreviato in ASM o asm, è qualsiasi linguaggio di programmazione di basso livello con una corrispondenza molto forte tra le istruzioni del linguaggio e le istruzioni del codice macchina dell'architettura.
Ad esempio, se esamini le architetture Intel® 64 e IA-32 (PDF), l'istruzione MUL (per la moltiplicazione mul) esegue una moltiplicazione senza segno del primo operando (operando di destinazione) e del secondo operando (operando di origine) e memorizza il risultato nell'operando di destinazione. In termini molto semplificati, l'operando di destinazione è un operando implicito che si trova nel registro AX, mentre l'operando di origine si trova in un registro generico come CX. Il risultato viene memorizzato di nuovo nel registro AX. Considera il seguente esempio di codice x86:
mov ax, 5 ; Set the value of register AX to 5.
mov cx, 10 ; Set the value of register CX to 10.
mul cx ; Multiply the value of register AX (5)
; and the value of register CX (10), and
; store the result in register AX.
A titolo di confronto, se ti venisse chiesto di moltiplicare 5 e 10, probabilmente scriveresti un codice simile al seguente in JavaScript:
const factor1 = 5;
const factor2 = 10;
const result = factor1 * factor2;
Il vantaggio di utilizzare l'assembly è che questo codice di basso livello e ottimizzato per la macchina è molto più efficiente del codice di alto livello e ottimizzato per l'uomo. Nel caso precedente non ha importanza, ma puoi immaginare che per operazioni più complesse la differenza possa essere significativa.
Come suggerisce il nome, il codice x86 dipende dall'architettura x86. E se ci fosse un modo per scrivere codice assembly che non dipendesse da un'architettura specifica, ma che ereditasse i vantaggi in termini di prestazioni dell'assembly?
asm.js
Il primo passo per scrivere codice assembly senza dipendenze dall'architettura è stato asm.js, un sottoinsieme rigoroso di JavaScript che poteva essere utilizzato come linguaggio di destinazione efficiente e di basso livello per i compilatori. Questo sotto-linguaggio descriveva in modo efficace una macchina virtuale in sandbox per linguaggi non sicuri per la memoria come C o C++. Una combinazione di convalida statica e dinamica consentiva ai motori JavaScript di utilizzare una strategia di compilazione ottimizzante ahead-of-time (AOT) per il codice asm.js valido. Il codice scritto in linguaggi con tipizzazione statica e gestione manuale della memoria (come C) veniva tradotto da un compilatore da sorgente a sorgente come la prima versione di Emscripten (basata su LLVM).
Le prestazioni sono state migliorate limitando le funzionalità linguistiche a quelle adatte alla compilazione AOT. Firefox 22 è stato il primo browser a supportare asm.js, rilasciato con il nome OdinMonkey. Chrome ha aggiunto il supporto di asm.js nella versione 61. Sebbene asm.js funzioni ancora nei browser, è stato sostituito da WebAssembly. Il motivo per utilizzare asm.js a questo punto è come alternativa per i browser che non supportano WebAssembly.
WebAssembly
WebAssembly è un linguaggio di basso livello simile all'assembly con un formato binario compatto che viene eseguito con prestazioni quasi native e fornisce linguaggi come C/C++ e Rust, e molti altri con una destinazione di compilazione in modo che vengano eseguiti sul web. Il supporto per linguaggi con gestione della memoria come Java e Dart è in fase di sviluppo e dovrebbe essere disponibile a breve o è già stato implementato, come nel caso di Kotlin/Wasm. WebAssembly è progettato per essere eseguito insieme a JavaScript, consentendo a entrambi di funzionare insieme.
Oltre al browser, i programmi WebAssembly vengono eseguiti anche in altri runtime grazie a WASI, l'interfaccia di sistema WebAssembly, un'interfaccia di sistema modulare per WebAssembly. WASI è stato creato per essere portatile su tutti i sistemi operativi, con l'obiettivo di essere sicuro e di poter essere eseguito in un ambiente sandbox.
Il codice WebAssembly (codice binario, ovvero bytecode) è destinato all'esecuzione su una macchina virtuale (VM) portatile. Il bytecode è progettato per essere più veloce da analizzare ed eseguire rispetto a JavaScript e per avere una rappresentazione del codice compatta.
L'esecuzione concettuale delle istruzioni avviene tramite un contatore di programma tradizionale che avanza attraverso le istruzioni. In pratica, la maggior parte dei motori Wasm compila il bytecode Wasm in codice macchina, che poi esegue. Le istruzioni rientrano in due categorie:
- Le istruzioni di controllo che formano i costrutti di controllo del modulo ed estraggono i valori degli argomenti dallo stack, possono modificare il contatore del programma e inserire i valori dei risultati nello stack.
- Istruzioni semplici che estraggono i valori degli argomenti dallo stack, applicano un operatore ai valori e quindi inseriscono i valori dei risultati nello stack, seguito da un avanzamento implicito del contatore del programma.
Tornando all'esempio precedente, il seguente codice WebAssembly sarebbe equivalente al codice x86 dell'inizio dell'articolo:
i32.const 5 ; Push the integer value 5 onto the stack.
i32.const 10 ; Push the integer value 10 onto the stack.
i32.mul ; Pop the two most recent items on the stack,
; multiply them, and push the result onto the stack.
Mentre asm.js è implementato interamente nel software, ovvero il suo codice può essere eseguito in qualsiasi motore JavaScript (anche se non ottimizzato), WebAssembly richiedeva nuove funzionalità su cui tutti i fornitori di browser erano d'accordo. Annunciato nel 2015 e rilasciato per la prima volta a marzo 2017, WebAssembly è diventato una raccomandazione del W3C il 5 dicembre 2019. Il W3C gestisce lo standard con i contributi di tutti i principali fornitori di browser e di altre parti interessate. Dal 2017, il supporto dei browser è universale.
WebAssembly ha due rappresentazioni: testuale e binaria. Quello che vedi sopra è la rappresentazione testuale.
Rappresentazione testuale
La rappresentazione testuale si basa sulle S-expression e utilizza comunemente l'estensione file .wat (per il formato di testo WebAssembly). Se vuoi, puoi scriverlo a mano. Prendendo l'esempio di moltiplicazione riportato sopra e rendendolo più utile non codificando più i fattori, puoi probabilmente comprendere il seguente codice:
(module
(func $mul (param $factor1 i32) (param $factor2 i32) (result i32)
local.get $factor1
local.get $factor2
i32.mul)
(export "mul" (func $mul))
)
Rappresentazione binaria
Il formato binario che utilizza l'estensione di file .wasm non è destinato al consumo umano, tanto meno alla creazione umana. Utilizzando uno strumento come wat2wasm, puoi convertire il codice precedente nella seguente rappresentazione binaria. I commenti in genere non fanno parte della rappresentazione binaria, ma vengono aggiunti dallo strumento wat2wasm per una migliore comprensione.
0000000: 0061 736d ; WASM_BINARY_MAGIC
0000004: 0100 0000 ; WASM_BINARY_VERSION
; section "Type" (1)
0000008: 01 ; section code
0000009: 00 ; section size (guess)
000000a: 01 ; num types
; func type 0
000000b: 60 ; func
000000c: 02 ; num params
000000d: 7f ; i32
000000e: 7f ; i32
000000f: 01 ; num results
0000010: 7f ; i32
0000009: 07 ; FIXUP section size
; section "Function" (3)
0000011: 03 ; section code
0000012: 00 ; section size (guess)
0000013: 01 ; num functions
0000014: 00 ; function 0 signature index
0000012: 02 ; FIXUP section size
; section "Export" (7)
0000015: 07 ; section code
0000016: 00 ; section size (guess)
0000017: 01 ; num exports
0000018: 03 ; string length
0000019: 6d75 6c mul ; export name
000001c: 00 ; export kind
000001d: 00 ; export func index
0000016: 07 ; FIXUP section size
; section "Code" (10)
000001e: 0a ; section code
000001f: 00 ; section size (guess)
0000020: 01 ; num functions
; function body 0
0000021: 00 ; func body size (guess)
0000022: 00 ; local decl count
0000023: 20 ; local.get
0000024: 00 ; local index
0000025: 20 ; local.get
0000026: 01 ; local index
0000027: 6c ; i32.mul
0000028: 0b ; end
0000021: 07 ; FIXUP func body size
000001f: 09 ; FIXUP section size
; section "name"
0000029: 00 ; section code
000002a: 00 ; section size (guess)
000002b: 04 ; string length
000002c: 6e61 6d65 name ; custom section name
0000030: 01 ; name subsection type
0000031: 00 ; subsection size (guess)
0000032: 01 ; num names
0000033: 00 ; elem index
0000034: 03 ; string length
0000035: 6d75 6c mul ; elem name 0
0000031: 06 ; FIXUP subsection size
0000038: 02 ; local name type
0000039: 00 ; subsection size (guess)
000003a: 01 ; num functions
000003b: 00 ; function index
000003c: 02 ; num locals
000003d: 00 ; local index
000003e: 07 ; string length
000003f: 6661 6374 6f72 31 factor1 ; local name 0
0000046: 01 ; local index
0000047: 07 ; string length
0000048: 6661 6374 6f72 32 factor2 ; local name 1
0000039: 15 ; FIXUP subsection size
000002a: 24 ; FIXUP section size
Compilazione in WebAssembly
Come vedi, né .wat né .wasm sono particolarmente intuitivi. È qui che entra in gioco un compilatore come Emscripten.
Consente di compilare da linguaggi di livello superiore come C e C++. Esistono altri compilatori per altri linguaggi come Rust e molti altri. Considera il seguente codice C:
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello World\n");
return 0;
}
In genere, questo programma C viene compilato con il compilatore gcc.
$ gcc hello.c -o hello
Con Emscripten installato, compila il codice in WebAssembly utilizzando il comando emcc e quasi gli stessi argomenti:
$ emcc hello.c -o hello.html
Verranno creati un file hello.wasm e il file wrapper HTML hello.html. Quando pubblichi il file hello.html da un web server, vedrai "Hello World" stampato nella console DevTools.
Esiste anche un modo per compilare in WebAssembly senza il wrapper HTML:
$ emcc hello.c -o hello.js
Come prima, verrà creato un file hello.wasm, ma questa volta un file hello.js anziché il wrapper HTML. Per eseguire il test, esegui il file JavaScript risultante hello.js, ad esempio, con Node.js:
$ node hello.js
Hello World
Scopri di più
Questa breve introduzione a WebAssembly è solo la punta dell'iceberg.
Scopri di più su WebAssembly nella documentazione di WebAssembly su MDN
e consulta la documentazione di Emscripten. A dire il vero, lavorare con WebAssembly può sembrare un po' come il meme su come disegnare un gufo, soprattutto perché gli sviluppatori web che conoscono HTML, CSS e JavaScript non hanno necessariamente familiarità con i linguaggi da compilare, come C. Fortunatamente, esistono canali come il tag webassembly di StackOverflow, dove gli esperti sono spesso felici di aiutarti se lo chiedi gentilmente.
Ringraziamenti
Questo articolo è stato rivisto da Jakob Kummerow, Derek Schuff e Rachel Andrew.